RU2559482C2 - Titanium diboride producing method - Google Patents

Titanium diboride producing method Download PDF

Info

Publication number
RU2559482C2
RU2559482C2 RU2013156224/05A RU2013156224A RU2559482C2 RU 2559482 C2 RU2559482 C2 RU 2559482C2 RU 2013156224/05 A RU2013156224/05 A RU 2013156224/05A RU 2013156224 A RU2013156224 A RU 2013156224A RU 2559482 C2 RU2559482 C2 RU 2559482C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
titanium diboride
carbon
mixture
carbon material
temperature
Prior art date
Application number
RU2013156224/05A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013156224A (en
Inventor
Юрий Леонидович Крутский
Елена Владимировна Антонова
Александр Георгиевич Баннов
Павел Борисович Курмашов
Владимир Васильевич Соколов
Андрей Юрьевич Пичугин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет"
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет", Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет"
Priority to RU2013156224/05A priority Critical patent/RU2559482C2/en
Publication of RU2013156224A publication Critical patent/RU2013156224A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2559482C2 publication Critical patent/RU2559482C2/en

Links

Landscapes

  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: invention relates to powder metallurgy, namely, to the synthesis of titanium diboride, and can be used for the manufacture of ceramic armour, manufacture of heaters of high-temperature electric resistance furnaces, bathtubs and crucibles - metal evaporators, details of metal wires and electromagnetic pumps for pumping of the melted metals, chemical equipment units. The method of producing of titanium diboride consists in heating of the furnace charge from a mix of titanium dioxide, boron containing chemical reagent and carbon material at the temperature of 1500-1700°C within 20-25 minutes. Components of the furnace charge are mixed during common sifting. The carbon material is the high-disperse powder of nano-fibrous carbon with a specific surface density of 138-160 m2/g.
EFFECT: invention allows simplifying the process of titanium diboride producing.

Description

Предлагаемое изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к синтезу диборида титана, и может быть использовано для производства керамической брони, изготовления нагревателей высокотемпературных электропечей сопротивления, ванн и тиглей - испарителей металлов, деталей металлопроводов и электромагнитных насосов для перекачивания расплавленных металлов, узлов химической аппаратуры.The present invention relates to powder metallurgy, in particular to the synthesis of titanium diboride, and can be used for the production of ceramic armor, the manufacture of heaters of high-temperature resistance furnaces, bathtubs and crucibles - metal evaporators, metal wire parts and electromagnetic pumps for pumping molten metals, components of chemical equipment.

Известен способ получения диборида титана восстановлением порошкообразного диоксида титана пропаном в присутствии порошка бора в азотном плазменном потоке (Галевский Г.В., Руднева В.В. Особенности процессов боридообразования в условиях плазменного потока /Вестник горно-металлургической секции РАЕН. Отделение металлургии: сборник научных трудов/ СибГИУ - Новокузнецк, 2010. - Вып.26. - С.111-116).A known method of producing titanium diboride by reducing powdered titanium dioxide with propane in the presence of boron powder in a nitrogen plasma stream (Galevsky G.V., Rudneva V.V. Features of boride formation in a plasma stream / Bulletin of the Mining and Metallurgical Section of the Russian Academy of Natural Sciences. Metallurgy Department: collection of scientific Proceedings / SibGIU - Novokuznetsk, 2010. - Issue 26. - S.111-116).

Однако указанный способ имеет следующие недостатки. Использование в качестве источника углерода горючего газа (пропана) может при разгерметизации плазмохимического реактора привести к образованию взрывоопасной пропановоздушной смеси. Кроме того, получить данным процессом чистый, без примесей, диборид титана невозможно, поскольку по данным рентгенофазового анализа в продуктах реакции после закалки наряду с ним содержится и титан.However, this method has the following disadvantages. The use of a combustible gas (propane) as a carbon source during depressurization of a plasma chemical reactor can lead to the formation of an explosive propane-air mixture. In addition, it is impossible to obtain pure, without impurities, titanium diboride by this process, since according to the X-ray diffraction analysis, the reaction products after quenching also contain titanium.

Кроме того, известен способ получения диборида титана (заявка US 2013/0251595 кл. С01В 35/04, 26.09.2013), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и заключающийся в нагреве шихты из смеси двуокиси титана, химического реагента, содержащего бор, и углеродного материала [0042] при температуре 1500-1700°C в течение 20-25 минут [0038]-[0041].In addition, there is a method of producing titanium diboride (application US 2013/0251595 class. СВВ 35/04, 09/26/2013), which is a prototype of the invention and consists in heating a mixture from a mixture of titanium dioxide, a chemical reagent containing boron, and a carbon material [ 0042] at a temperature of 1500-1700 ° C for 20-25 minutes [0038] - [0041].

Однако указанный способ имеет недостаток. Это смешение компонентов шихты в жидкостях с последующей сушкой суспензии [0046], что усложняет процесс. В качестве жидкостей могут применяться органические и неорганические материалы с кислой, основной или нейтральной реакцией [0048]. Этот недостаток связан со сравнительно невысокой дисперсностью применяемых углеродных материалов, в качестве которых заявляются: carbon black (сажа), synthetic carbon (искусственный графит) и calcined petroleum coke (прокаленный нефтяной кокс) [0042]-[0045]. Сведения об их дисперсности (или удельной поверхности) в тексте прототипа не приводятся. Однако известно [Gruner W., Stolle S., Wetzig K. Formation of COx species during the carbothermal reduction of oxides of Zr, Si, Ti, Cr, W and Mo. International Journal of Refractory Metals & Hard Materials 18 (2000) 137-139], что удельная поверхность сажи составляет 80,2 м2/г, а порошка графита 19,5 м2/г. Известно также, что прокаленный нефтяной кокс [Соседов В.П., Чалых Е.Ф. Графитация углеродистых материалов. - М.: Металлургия, 1987, с. 23.] является сырьем для получения графита. Поэтому можно предположить, что при одинаковых условиях измельчения прокаленного нефтяного кокса и искусственного графита значения дисперсности (и удельной поверхности) порошков этих материалов будут сопоставимы.However, this method has a drawback. This is a mixture of the components of the charge in liquids, followed by drying of the suspension [0046], which complicates the process. As liquids, organic and inorganic materials with an acidic, basic or neutral reaction [0048] can be used. This disadvantage is associated with the relatively low dispersion of the used carbon materials, which are claimed to be: carbon black (soot), synthetic carbon (artificial graphite) and calcined petroleum coke (calcined petroleum coke) [0042] - [0045]. Information about their dispersion (or specific surface area) is not given in the prototype text. However, it is known [Gruner W., Stolle S., Wetzig K. Formation of CO x species during the carbothermal reduction of oxides of Zr, Si, Ti, Cr, W and Mo. International Journal of Refractory Metals & Hard Materials 18 (2000) 137-139], that the specific surface area of carbon black is 80.2 m 2 / g and that of graphite powder is 19.5 m 2 / g. It is also known that calcined petroleum coke [Sosedov V.P., Chalykh E.F. Graphitization of carbon materials. - M.: Metallurgy, 1987, p. 23.] is a raw material for producing graphite. Therefore, we can assume that under the same grinding conditions of calcined petroleum coke and artificial graphite, the dispersion values (and specific surface area) of the powders of these materials will be comparable.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение процесса.The task of the invention is to simplify the process.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе получения диборида титана, заключающемся в нагреве шихты из смеси двуокиси титана, химического реагента, содержащего бор, и углеродного материала при температуре 1500-1700°C в течение 20-25 минут, смешение компонентов шихты осуществляется при совместном просеивании, а в качестве углеродного материала используют высокодисперсный порошок нановолокнистого углерода с удельной поверхностью 138…160 м2/г. Порошок нановолокнистого углерода получается растиранием в ступке его гранул размером 4-8 мм, изготовленных каталитическим разложением газообразных предельных углеводородов на никелевом катализаторе при температуре 550°C. Гранулы образованы плотно переплетенными нитями нановолокнистого углерода длиной до 4 мкм и диаметром 10-100 нм (средний диаметр 73 нм). Содержание примесей (остатков катализатора) в нановолокнистом углероде невелико и не превышает 1% масс. Использование в качестве углеродного материала нановолокнистого углерода приводит к следующему. Поскольку величина удельной поверхности нановолокнистого углерода значительно выше, чем у сажи, искусственного графита и прокаленного нефтяного кокса, при смешении реагентов (двуокиси титана, химического реагента, содержащего бор, иThis object is achieved in that in the known method for producing titanium diboride, which consists in heating the mixture from a mixture of titanium dioxide, a chemical reagent containing boron, and a carbon material at a temperature of 1500-1700 ° C for 20-25 minutes, the mixing of the components of the mixture is carried out at joint sifting, and as a carbon material, a finely dispersed nanofiber carbon powder with a specific surface of 138 ... 160 m 2 / g is used. A nanofibrous carbon powder is obtained by grinding in a mortar of its granules 4-8 mm in size, prepared by catalytic decomposition of gaseous saturated hydrocarbons on a nickel catalyst at a temperature of 550 ° C. The granules are formed by tightly interwoven nanofibrous carbon fibers up to 4 microns in length and 10-100 nm in diameter (average diameter 73 nm). The content of impurities (catalyst residues) in the nanofiber carbon is small and does not exceed 1% of the mass. The use of nanofiber carbon as the carbon material leads to the following. Since the specific surface area of nanofibrous carbon is much higher than that of soot, artificial graphite, and calcined petroleum coke, when mixing reagents (titanium dioxide, a chemical reagent containing boron, and

углеродного материала - в данном случае нановолокнистого углерода) обеспечивается более тесный контакт между твердыми частицами реагентов. Это, в свою очередь, способствует повышению интенсивности процесса синтеза диборида титана. По этой причине отпадает необходимость в дополнительных операциях (смешение компонентов шихты в жидкостях с последующей сушкой суспензии), усложняющих процесс.carbon material - in this case, carbon nanofiber) provides a closer contact between the solid particles of the reagents. This, in turn, helps to increase the intensity of the synthesis of titanium diboride. For this reason, there is no need for additional operations (mixing the components of the mixture in liquids with subsequent drying of the suspension), complicating the process.

Способ осуществляется следующим образом. Порошки двуокиси титана, карбида бора и углеродного материала (нановолокнистого углерода) с удельной поверхностью 138…160 м2/г просеиваются через сито с размером ячейки 100 мкм. При просеивании происходит перемешивание компонентов шихты. Далее шихта загружается в тигель из стеклоуглерода внутренним диаметром 15 мм и высотой внутреннего пространства 60 мм. Тогда внутренний объем тигля 10,603 см3. При плотности шихты 2,5 г/см3 масса ее примерно равна 26 г. Тигель из стеклоуглерода закрывается графитовой крышкой и помещается в кварцевый реактор, который в свою очередь вставляется в индуктор индукционной печи. Для предотвращения азотирования карбида бора кварцевый реактор продувается аргоном. Нагрев шихты производят при температуре 1500…1700°C в течение 20…25 минут.The method is as follows. Powders of titanium dioxide, boron carbide and carbon material (nanofiber carbon) with a specific surface area of 138 ... 160 m 2 / g are sieved through a sieve with a mesh size of 100 μm. When sifting, the components of the mixture are mixed. Next, the charge is loaded into a crucible of glassy carbon with an inner diameter of 15 mm and a height of internal space of 60 mm. Then the internal volume of the crucible is 10.603 cm 3 . At a charge density of 2.5 g / cm 3, its mass is approximately 26 g. A glass-carbon crucible is closed with a graphite lid and placed in a quartz reactor, which, in turn, is inserted into the inductor of the induction furnace. To prevent boron carbide nitriding, the quartz reactor is purged with argon. The mixture is heated at a temperature of 1500 ... 1700 ° C for 20 ... 25 minutes.

Температура в реакторе контролируется оптическим пирометром. После остывания реактора прекращается подача аргона, из реактора извлекается тигель, из тигля высыпается продукт реакции (порошок диборида титана).The temperature in the reactor is controlled by an optical pyrometer. After cooling of the reactor, the argon supply is stopped, the crucible is removed from the reactor, and the reaction product (titanium diboride powder) is precipitated from the crucible.

При температурах ниже 1500°C диборид титана не образуется, о чем свидетельствует отсутствие его рефлексов на дифрактограммах. При температурах, превышающих 1700°C, имеют место непроизводительные энергозатраты. При времени процесса менее 20 минут диборид титана не образуется, о чем свидетельствует отсутствие его рефлексов на дифрактограммах. При времени процесса более 25 минут имеют место непроизводительные энергозатраты. При уменьшении величины удельной поверхности порошка нановолокнистого углерода ниже 138 м2/г времени 25 минут и температуры 1700°C оказывается недостаточно для полного завершения процесса образования диборида титана, о чем свидетельствует наличие на дифрактограммах рефлексов исходных реагентов - двуокиси титана и карбида бора. Увеличение значения удельной поверхности порошка нановолокнистого углерода выше 160 м2/г невозможно при любом времени измельчения.At temperatures below 1500 ° C, titanium diboride does not form, as evidenced by the absence of its reflections in the diffraction patterns. At temperatures exceeding 1700 ° C, unproductive energy costs occur. When the process time is less than 20 minutes, titanium diboride is not formed, as evidenced by the absence of its reflections in the diffraction patterns. When the process time is more than 25 minutes, unproductive energy consumption takes place. When the specific surface area of the nanofibrous carbon powder decreases below 138 m 2 / g for 25 minutes and a temperature of 1700 ° C, it turns out to be insufficient for the complete formation of titanium diboride, as evidenced by the presence of titanium dioxide and boron carbide on the diffraction patterns of reflections. An increase in the specific surface area of nanofibrous carbon powder above 160 m 2 / g is impossible at any grinding time.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет упростить процесс.Thus, the proposed method allows to simplify the process.

Пример реализации изобретенияAn example implementation of the invention

Порошки двуокиси титана, карбида бора со средним размером частиц 0,8 мкм и нановолокнистого углерода с удельной поверхностью 144 м2/г совместно просеиваются через сито с размером ячейки 100 мкм. Далее готовая шихта засыпается в тигель из стеклоуглерода. Тигель закрывается графитовой крышкой и помещается в кварцевый реактор, который в свою очередь вставляется в индуктор индукционной печи. Кварцевый реактор продувается аргоном. Температура процесса 1600°C, время выдержки при этой температуре 22 минуты. Рентгенофазовым анализом установлено наличие в продуктах реакции (термообработанной шихте) только одной фазы - диборида титана.Powders of titanium dioxide, boron carbide with an average particle size of 0.8 μm and nanofiber carbon with a specific surface of 144 m 2 / g are sifted together through a sieve with a mesh size of 100 μm. Next, the finished mixture is poured into a crucible of glassy carbon. The crucible is closed with a graphite lid and placed in a quartz reactor, which in turn is inserted into the inductor of the induction furnace. A quartz reactor is purged with argon. The process temperature is 1600 ° C, the exposure time at this temperature is 22 minutes. X-ray phase analysis revealed the presence in the reaction products (heat-treated mixture) of only one phase - titanium diboride.

Claims (1)

Способ получения диборида титана, состоящий в нагреве шихты из смеси двуокиси титана, химического реагента, содержащего бор, и углеродного материала при температуре 1500-1700°C в течение 20-25 минут, отличающийся тем, что смешение компонентов шихты осуществляется при совместном просеивании, а в качестве углеродного материала используют высокодисперсный порошок нановолокнистого углерода с удельной поверхностью 138-160 м2/г. The method of producing titanium diboride, which consists in heating the mixture from a mixture of titanium dioxide, a chemical reagent containing boron, and a carbon material at a temperature of 1500-1700 ° C for 20-25 minutes, characterized in that the mixture of the components of the mixture is carried out by joint sieving, and as a carbon material, a highly dispersed nanofiber carbon powder with a specific surface of 138-160 m 2 / g is used.
RU2013156224/05A 2013-12-17 2013-12-17 Titanium diboride producing method RU2559482C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013156224/05A RU2559482C2 (en) 2013-12-17 2013-12-17 Titanium diboride producing method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013156224/05A RU2559482C2 (en) 2013-12-17 2013-12-17 Titanium diboride producing method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013156224A RU2013156224A (en) 2015-06-27
RU2559482C2 true RU2559482C2 (en) 2015-08-10

Family

ID=53497099

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013156224/05A RU2559482C2 (en) 2013-12-17 2013-12-17 Titanium diboride producing method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2559482C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2723859C1 (en) * 2019-09-13 2020-06-17 Евгений Сергеевич Горланов Method for low-temperature synthesis of titanium diboride
RU2805065C1 (en) * 2022-12-20 2023-10-11 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Method for producing titanium diboride powder

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2498880C1 (en) * 2012-08-13 2013-11-20 Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Сибирский Федеральный Университет" Method of producing titanium boride powder for aluminium electrolytic cell wetted cathode material

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2498880C1 (en) * 2012-08-13 2013-11-20 Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Сибирский Федеральный Университет" Method of producing titanium boride powder for aluminium electrolytic cell wetted cathode material

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
КАРАСЕВ А.И., Получение порошков технических боридов титана, циркония, хрома и вольфрама борокарбидным методом, Порошковая металлургия, 1973, N10, с.1-5. САМСОНОВ Г.В., СЕРЕБРЯКОВА Т.И., НЕРОНОВ В.А., Бориды, Москва, Атомиздат, 1975, с.209. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2723859C1 (en) * 2019-09-13 2020-06-17 Евгений Сергеевич Горланов Method for low-temperature synthesis of titanium diboride
RU2805065C1 (en) * 2022-12-20 2023-10-11 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Method for producing titanium diboride powder

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013156224A (en) 2015-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Mukasyan et al. Direct combustion synthesis of silicon carbide nanopowder from the elements
KR101909626B1 (en) Process for production of synthesis gas
CN103073320A (en) Preparation method for ZrB2-SiC (w) ceramic raw material
Martinez et al. Production of β-SiC by pyrolysis of rice husk in gas furnaces
Krutskii et al. Synthesis of fine dispersed titanium diboride from nanofibrous carbon
Langenderfer et al. Detonation synthesis of silicon carbide nanoparticles
RU2559482C2 (en) Titanium diboride producing method
Lotfian et al. Alternative reducing agents in metallurgical processes: gasification of shredder residue material
Li et al. Synthesis of potassium hexatitanate whiskers with high thermal stability from Ti-bearing electric arc furnace molten slag
Krishnarao et al. Thermite assisted synthesis of ZrB 2 and ZrB 2–SiC through B 4 C reduction of ZrO 2 and ZrSiO 4 in air
KR100959931B1 (en) Method of forming titanium nitride powders
JP6726617B2 (en) Microwave combined heating furnace
RU2550848C2 (en) Method of producing boron carbide
JP2019085303A (en) Manufacturing method and manufacturing device of silicon
CN105297129A (en) Method for synthesizing silicon oxynitride whiskers
Vijay et al. Carbothermal reduction of sillimanite in a transferred arc thermal plasma reactor
CN101734659B (en) Method for preparing titanium carbide powder by high-frequency induction-carbothermic reduction
RU2599757C2 (en) Method of producing vanadium carbide
RU2559485C1 (en) Zirconium diboride producing method
Miller et al. Submicron boron carbide synthesis through rapid carbothermal reduction
Wang et al. Preparation of hollow SiC spheres by combustion synthesis
Forouzan et al. A three-step synthesis process of submicron boron carbide powders using microwave energy
Topateş Recycling of waste flat glass in the fabrication of Si3N4 powder by the carbo‐thermal reduction and nitridation
Makornpan et al. Fabrication of silicon carbide from rice husk by carbothermal-reduction and in situ reaction bonding technique
Narisawa et al. Evaluation of high temperature resistance of white Si–O–C (–H) ceramics in an inert atmosphere

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20181218